基于铁谱的航空发动机图谱技术研究

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Research on Aero-engine Atlas Technology Based on FerrograghyCheng Zhisheng Fei Yiwei Yang Hongwei Yao Ting(Department of Aviation Oil and Material，Air Force Logistics College，Xuzhou Jiangsu 221000，China)Abstract：Methods of organizing the atlas of aero-engine wear particles based on friction cornponents in the course ofwearing were introduced.The types and characters of essential wear particles occurred in varied work period of frictioncomponents were analyzed.The basic structure of atlas information management system(AIMS)of ferrography of aero-en-sine was developed.The AIMS provides an effective technological method to predict engine fault caused by wearing，and itis an important part of fault diagnosis expert system。

Keywords：ferrography；aero-engine；atlas technology磨粒图谱是运用铁谱技术开展磨粒分析的必要工具和手段。随着铁谱技术在发动机工况监测和故障诊断应用中的逐步深入，研究和总结实际运转条件下某型发动机所产生的磨粒的尺寸、形貌、数量和成分，以及发动机不同磨损阶段和不同磨损工况的磨损磨粒特征，编制磨粒图谱，作为同类设备工况监测和故障诊断中判别发动机运转状态和预报磨损发展趋势的标准，指导铁谱技术的实际运用，无疑具有重大意义和实际价值。

1 航空发动机磨粒图谱编制方法磨粒的图谱可以依据磨粒的识别特征以及摩擦副磨损过程进行编制，前者具有基础性和标准性的特点，适用于通用性磨粒图谱的编制，后者以摩擦副为对象，侧重于特征捕获，具有实用性和专业性。本文作者着眼于某型发动机不同磨损阶段的磨粒图谱技术的应用，采用后-种编制方法。

1.1 基于摩擦副磨损过程的图谱编制方法这种编制方法是以发动机摩擦副的磨损过程为主收稿 日期：2012-08-26作者简介：程治升 (1988-)，男，硕士研究生，研究方向为军用功能新材料技术.E-mail：1 157065920###qq.corn。

线。铁谱技术和磨粒分析方法的应用都要针对具体的工作对象，按照-般规律，摩擦副从开始投入运行到损坏都要经历3个磨损阶段，即磨合阶段、正常磨损阶段和异常磨损阶段。与这3个阶段相对应，所产生的磨粒数量和种类 ，会具有：不同的特征。表 1列出了各阶段可能产生的磨损类别 。无论是定量曲线的特征还是磨损种类的差异，都为基于摩擦副磨损过程编制磨粒图谱提供了可能。

表 1 各磨损阶段可能产生的磨粒类别Table 1 Wear particles classificationsduring diferent wearing stages润滑与密封 第38卷1.2 某型发动机磨粒图谱编制的基本要素分析编制发动机磨粒图谱是-项复杂而又细致的工作。丰富的监测资料，完备的分析手段，深入的技术研究，是从事该项工作的先决条件。在编制发动机磨粒图谱时，应考虑以下几个因素：(1)了解发动机的故障环境、使用状况以及制造质量，严格执行铁谱分析程序，这是用于发动机铁谱监测的磨粒图谱不可忽视的基础工作。

(2)透彻地分析发动机的特点，发动机系统具有不同的摩擦副，可按其润滑状态、载荷和材料等因素进行分析，这种分析有助于对机器中不同摩擦副可能发生的磨损形式做出预估。

(3)开展现场跟踪监测与实验室模拟试验。编制磨粒图谱需要在掌握大量的监测分析信息的基础上才能进行。现场实时监测可以获得作业过程中的磨损状态特征，这方面的研究是寻找磨损规律的重要途径。但是，有-些典型工况在正常使用过程中不易出现，即使发生了典型工况，由于某些因素的影响，也可能取不到典型工况的信息，因此，开展特定工况的实验室模拟试验，是弥补在实际监测过程中难以获取典型信息的有效方法。

(4)结合监测对象 (某型发动机)的拆机检查，对监测结果进行核对，为编制磨粒图谱提供故障事实。

2 航空发动机基本磨粒种类与特征分析航空发动机不同部位磨粒的形态特征以及种类反映了有关磨损的重要信息。-般，发动机磨粒的形态特征是指示摩擦学系统工作是否正常的重要信号；发动机磨粒的成分和颜色蕴藏着磨粒来源的信息，有利于对发动机故障进行定位；发动机磨粒的物理与机械性能也是揭示摩擦接触处破坏之前的温度和组织变化的根据之-。因此，揭示发动机基本磨粒的形态和成分信息，是解释磨粒的形成及机械零件的摩擦学行为的必要根 。正确地划分磨粒的基本种类和找出各自的典型特征，是从事铁谱分析、准确识别磨粒的前提。

2.1 航空发动机磨粒分类方法分析2.1.1 按磨损形式分类在磨合期发动机摩擦副可能出现的磨损形式为磨料磨损，正常磨损期可能出现的磨粒为正常滑动磨粒，严重磨损期可能出现的磨粒为严重滑动磨粒(黏着磨损)、切削磨粒 (磨料磨损)、疲劳剥块、层状磨粒、球状磨粒 (疲劳磨损)、氧化物 (腐蚀磨损)。各种磨损形式的磨损机制不同，形成的特征磨粒也不相同。对应于上述4种磨损类型，把磨粒划分为9种类型，见表2。

表2 磨粒按磨损类型划分种类Table 2 Wear particles classification as wearing style2.1.2 按磨粒成分分类航空发动机不同部位的磨粒主要有金属磨粒和非金属磨粒2大类。前者又可分为黑色金属磨粒 (如铸铁、钢和合金钢磨粒等)，有色金属磨粒 (如铝、铜合金等)，金属氧化物磨粒 (如红色、黑色氧化物等)；后者是指结晶体、聚合物、积碳、纤维、砂粒等微粒。

2.1.3 按磨粒形状分类航空发动机不同部位的磨粒在形成过程中，由于磨损机制的不同，所经受的压力、温度、接触方式和环境因素等也不尽相同，因而形态特征各异。根据发动机磨粒的轮廓特征，可把磨粒划分为层状磨粒、块状磨粒、球状磨粒、条 (或线)状磨粒等。层状磨粒是指薄片 (常带有孔洞)或层状者；块状磨粒是指厚度较大、形状参数 (主轴尺寸与厚度之比)较小者；球状磨粒包括圆球、半球或破损球状微磨粒；条 (或线)状磨粒是指月牙状、螺旋状、卷曲状的切削磨粒。

2.2 航空发动机磨粒典型形态特征分析磨粒是有关发动机磨损的重要信息源，人们对它的认知首先是通过视觉来完成的。-般，按照磨粒的形态特征可将发动机磨粒分为正常滑动磨粒、严重滑动磨粒、切削磨粒、疲劳剥块、层状磨粒、氧化物磨粒、球状磨粒 ，见表3。

(1)正常滑动磨粒 (见图1(a))。航空发动机正常滑动磨粒-般是金属切混层局部剥离的结果，呈薄片，亦称微缓磨粒。长轴尺寸-般为0.5～15 m，厚度在0.15～1 m之间。长、短轴比，-般大颗粒约为 10：1，而0.5 m的颗粒约为3：1。该种磨粒表面状态的形成与剥层磨损理论是-致的。

2013年第1期 程治升等：基于铁谱的航空发动机图谱技术研究表 3 发动机磨粒的形态和成分信息Table 3 Engine wear particles type and elements磨损类型 磨粒名称 磨粒特征形貌 尺寸 磨粒形成机制 损- 醐 - 成磨料剥离磨粒 牙状为主轮廓明主 ：由于磨粒嵌入较软的表面，切削硬表面而成疲劳剥离磨粒 要鬻不规主尺寸s锄 m 鬟 发展，疲劳磨损 层状磨粒 蝴 主尺 粒黏附于滚动元件表 通 而形成球状磨粒 圆球状，个别破裂 直径·-s m 窑 茎 莲 篇 内部红色氧腐蚀磨损化物微粒多晶体、粒状或成片分布扁平状表面粒状 的堆积物 ，有蓝、红斑点润滑油中有水或轻微润滑不良摩擦副严重润滑不良，伴随高温而产生(2)严重滑动磨粒 (见图1(b))。发动机严重滑动磨粒是在过高的载荷或速度的条件下，磨损表面的应力过高时出现的，大小磨粒的数量比撒于表面应力极限被超过的程度。应力越高，这-比值也越高，其粒度在 l5 以上，长轴尺寸与厚度之比约为 10：1，有些表面有划痕，通常有拉毛的棱边。

(3)切削磨粒 (见图1(c))。发动机不同部位的切削磨粒类似于切削时的小碎片，并有显微切削和磨料磨损的特征。磨粒形状呈收缩的螺旋状、碎片状和弯线状态，平均宽度约为2～5 m，长度为25～100 Ixm，厚度小的只有 0.5 Ixm。这样的磨粒突然增加是发动机部件破坏的信号。

(4)疲劳剥块 (见图1(d))。发动机不同部位所产生的疲劳剥块是在高接触压力和循环应力作用下，表面产生疲劳而形成的磨粒。发动机齿轮和滚动轴承产生的疲劳剥块是接触疲劳磨粒，通常具有光滑的表面和不规则的外形。齿轮的疲劳剥块尺寸较大，往往大于10 m，彼此互相垂直的尺寸很接近。轴承的疲劳剥块尺寸要小-些 。

(5)层状磨粒 (见图1(e))。发动机层状磨粒是极薄的游离金属磨粒，粒度在20～50 txm之间，长轴与厚度之比约为30：1，可以清楚地见到很多空洞。

层状磨粒是磨粒黏附于滚动元件的表面之后，又通过滚动接触而形成的。层状磨辽以在滚动轴承的整个使用期内产生，但疲劳裂纹-旦形成，其产生量即会增加，因此层状磨粒的大量增加并伴有大量的球粒存在，是发动机滚动轴承存在疲劳裂纹的标志。

(6)球状磨粒 (见图1(f))。发动机球状磨粒通常产生于滚动轴承的疲劳裂纹内部，直径为 1～5Lm。气蚀磨损、焊接等也会产生球粒，但直径往往大于1O m。

(7)氧化物磨粒 (见图1(g))。发动机氧化物磨粒包括腐蚀磨损微粒及铁的氧化物等。腐蚀磨损微粒大多是亚微米级的，分析式铁谱片 10 mm处的光密度值大于50 mln处的光密度值。铁的氧化物分为红色氧化物和黑色氧化物2种。黑色氧化物是润滑系统中润滑不良、存在过热的标志，颗粒外观为表面粗糙不平的堆积物，边缘能透过少许光。红色氧化物是程 匣牌制 蟠蜮， 黼包 粒 破-落 造 剥条 高劳和 过疲状 度醵 的片 速弱--n m -i 于 - 长5 n于 ～ ～ 个 -～～--撇2013年第 1期 程治升等：基于铁谱的航空发动机图谱技术研究 91询、用户图谱查询等功能，从而方便铁谱工作者对图谱基本情况的快速查询和了解；铁谱分析记录拈包括登录分析记录、查询分析记录、删除分析记录、打印分析记录和分析报告处理等5个拈并实现其相应的功能。

3.2.2 系统 实现 的 目标图谱信息管理系统是图谱管理的-个综合性的系统，该系统的设计目标将最终定位于完成以上所述的系统主要业务的基本模型。功能层次图如图2所示。

图谱信息管理系统数据输入图谱操作l l目录查询l 1分析记录由由 向南l萎图2 AIMS图谱管理信息系统功能层次图Fig 2 Function and arangement of AIMS删除分析记录打印分析记录整个系统分为 3层：第-层为数据输入 (信息源获取)层。发动机磨粒图谱主要是其关键运动部件 (齿轮、轴承及密封件)的磨损颗粒图像，在该系统中，故障部位的主要信息有：(1)发动机各摩擦副磨损情况与金属磨粒的浓度值和浓度变化情况存在-定的对应关系，经过详细的分析，可以判断出磨损的部位。

(2)油样信息。包括取样 日期、分析日期、油样号、油品黏度和酸值、制谱用油样量、稀释比等。

(3)发动机信息。包括部门、设备型号、设备编号、总工作时间、油牌号、油的使用时间、取样部位等。

第二层为用户操作层。系统工作原理为：首先将获取的信息存人数据库中，运用人机会话拈得到磨粒的油样信息、设备信息以及磨粒本身的形态学信息。其次利用人-机对话框还可以查询特征磨粒图谱和特征磨粒图谱说明，了解谱片的制谱环境和条件，以及简单的发动机故障现象。

第三层为结果输出层。通过对发动机铁谱图像的查询、修改和删除，达到对已有故障信息的管理。

4 结束语设计的某型发动机铁谱图谱信息管理系统，可反映磨损产物的微观特征，信息非常丰富，形态直观，特征鲜明，为油液监测人员预测发动机磨损故障提供了-种行之有效的技术手段。发动机监控人员在实际监控操作中，可通过将工作发动机的磨粒图像与标准谱图进行比对，来判断和预测待监控发动机的磨损状态，从而可提高故障诊断的速度和准确率，增强航空油液监测技术的时效性、准确性与可靠性，有效提高某型发动机的维修保障能力。

同时，发动机图谱信息管理系统的设计作为故障诊断专家系统的-个重要拈，为其功能的实现打下了良好的基础，有助于提高装备的现代化管理水平。